先進控制軟件(APC)在精餾裝置的應用

梁 慧工程師

(兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277500)

0 引言

為進一步提高甲醇精餾裝置的綜合自動化水平，穩定工藝指標，確保裝置運行安全，計劃引進先進控制技術，針對甲醇精餾裝置合成、精餾單元開發實施先進控制系統，實現裝置精細化控制，提高合成、精餾過程各關鍵工藝參數的運行平穩性，保證裝置運行安全，降低生產操作強度，更好地滿足企業可持續發展的要求。

先進控制系統將基于甲醇精餾裝置的工藝特點和過程控制需求，應用預測控制、智能控制、軟測量等先進控制技術，將模型預測和反饋控制有機結合，有效解決甲醇精餾裝置過程控制問題，抑制干擾因素，達到統一操作方法，減少人為因素影響，保證生產操作的一致性，實現生產過程的平穩控制，并通過動態優化工藝參數，改善合成反應和精餾分離效果，降低消耗，同時提高裝置綜合自動化水平，大幅度降低操作勞動強度，獲得顯著的社會效益和經濟效益。

先進控制系統可提高裝置操作穩定性，優化工藝參數、實現“卡邊”操作，可平均降低能耗和物耗2%以上，平均降低生產成本5%以上，項目投資回收期通常在6～10個月。同時，通過采用先進控制，還能大大降低操作人員勞動強度，減少生產運行中的人為因素影響。因此，先進控制已被視為一種投資少、效益高的高新技術，是流程工業企業提升綜合自動化水平和勞動生產率，實現節能、降耗和減排，持續挖潛增效，提高市場競爭力的重要手段。

本文主要開展的甲醇精餾裝置引入先進控制技術(Advanced Process Control，APC)，提出多變量預測控制和卡邊優化策略，主要針對裝置的整體參數和工藝指標實施高級控制和卡邊優化，提高甲醇精餾裝置的綜合自動化水平和運行平穩性，改善產品質量，提高產品收率，降低能耗。此項目技術路線成熟，風險低，可行性強。另外，此課題采用浙江中控自主知識產權的先進控制軟件包，應用多變量預測控制、智能控制、軟測量等先進控制技術研究開發甲醇精餾裝置全流程先進控制系統，在甲醇行業具有較強的創新性和示范意義。

1 精餾裝置簡介

1.1 工藝情況

公司甲醇Ⅱ精餾裝置采用三塔工藝流程，裝置設計甲醇處理能力為1 000t/d。來自粗甲醇槽V8001A(B)的粗甲醇經預塔給料泵P8001A(B)加壓后，進入粗甲醇預熱器E8001，由蒸汽冷凝液加熱至65℃左右，送入預精餾塔T8001；T8001塔底來的預精餾后甲醇，經加壓塔進料泵P8004A(B)加壓后通過加壓塔進料預熱器E8013預熱到80～103℃送至加壓精餾塔T8002；由T8002塔底排出的甲醇溶液，經過加壓塔進料預熱器E8013換熱后送往常壓精餾塔T8003。最終合格品(乙醇含量≤100ppm)從加壓精餾塔回流罐V8004及常壓精餾塔回流罐V8005采出至精甲醇槽V8007。

1.2 運行現狀

目前，兗礦魯南化工有限公司甲醇Ⅱ精餾裝置采用中控ECS700集散控制系統，實現主要工藝參數溫度、壓力、流量、液位等的顯示、記錄、累計、報警和設備運行聯鎖功能，并能夠進行整個生產過程的操作和控制，裝置整體運行安全可靠，指標正常。相關數據統計，見表1、2。

表1 控制軟件投運前加壓塔相關數據統計表Tab.1 The statistical table of relative data of pressurized tower before the operation of control software

表2 控制系統投運前常壓塔相關數據統計表Tab.2 The relevant data statistics table of atmospheric tower before the operation of control software

通過表1、2中的數據可知，裝置在運行過程中，運行基本穩定。加壓塔塔釜液位方差24.97，加壓塔回流罐液位方差1.52，加壓塔塔釜溫度方差0.33；常壓塔靈敏板溫度方差4.17，常壓塔回流罐液位方差3.28。

1.3 存在的問題

(1)化工裝置在正常運行過程中，受各種因素影響，上下游及公用工程工序都會發生不同程度的波動，必然導致精餾裝置加壓塔回流罐液位、加壓塔塔釜液位及塔釜溫度出現波動現象；常壓塔靈敏板溫度及回流罐液位出現波動現象。目前，精餾塔的運行負荷、再沸器蒸汽量、回流量、塔頂和塔底餾分采出量等均由人工憑經驗調節，為克服負荷、轉化氣溫度、進料組分的波動干擾，保證產品質量，操作人員通常將各精餾塔保持在過回流狀態下運行，以此來增加操作彈性，防止產品質量不合格，這在一定程度上犧牲了產品收率，增加了消耗。

(2)通過對產品質量的分析，精甲醇中乙醇含量為95.33ppm,雖在正常指標范圍內(≤100ppm),但是系統稍微一出現波動，就會出現指標超標的風險，影響產品質量。

2 精餾裝置先進控制軟件需求分析

根據對精餾裝置的初步調研，精餾系統的部分控制回路僅實現簡單的PID單回路自動控制，在過程控制上仍處于基于人工經驗的控制水平，各精餾塔關鍵工藝指標及質量指標等存在一定程度的波動，嚴重影響裝置的運行平穩性、產品質量和整體經濟效益。介于此情況，精餾裝置實施先進控制的需求為：

(1)甲醇精餾系統基礎測量儀表、控制閥門配置比較齊全，各精餾塔部分工藝指標實現PID自動控制，但大部分控制回路仍處于手動控制狀態。由于精餾系統的復雜工藝特性和物料之間的交叉換熱耦合作用，部分工藝指標如靈敏板溫度、塔釜液位等PID控制回路無法實現自動控制。生產過程中擾動因素多，經常出現因人工調節不及時或調節幅度不合適等因素而影響工藝指標的平穩運行。

(2)常規控制算法以PID反饋控制為主，將精餾塔簡化為若干個單變量來處理，無法滿足實際精餾過程需要兼顧多個目標的工藝控制要求。

(3)精餾裝置具有較強的多變量耦合特性，各塔之間存在著極強的物料交叉換熱，如常壓塔采用加壓塔塔頂氣相采出作為再沸器熱源，預塔、加壓塔采用低壓蒸汽作為再沸器熱源。因此，在甲醇精餾生產過程中，精餾系統各工藝參數之間存在著較強的關聯耦合特性，相關物料流量或溫度的波動將導致精餾塔工況產生大幅度波動，基于人工經驗的常規控制難以實時保持精餾過程的整體物料平衡和能量平衡，裝置的運行平穩性差，產品質量得不到保證，綜合能耗高。

(4)對于甲醇精餾系統，當低壓蒸汽溫度或壓力發生波動時，精餾系統在過程控制上沒有很好的抗干擾措施和方法，主要由操作人員根據工藝參數反饋信息手動調節相關操縱手段以克服干擾，調節響應滯后嚴重，且可能存在調節不及時或調節幅度不合適問題，以至于經常影響產品質量的穩定性和產品收率。

基于以上分析，結合精餾裝置的工藝特點和過程控制需求，在DCS常規控制的基礎上采用模型預測控制、智能控制等先進控制策略開發實施精餾裝置先進控制系統，通過對精餾系統關鍵工藝指標和產品質量指標的準確分析，建立合理的控制模型，克服粗甲醇組分變化、低壓蒸汽壓力及其他干擾因素的影響，進一步提高精餾系統的綜合自動化水平，實現平穩操作，保證產品質量。

3 APC控制軟件功能及應用

3.1 APC控制軟件功能

先進控制軟件(APC)適用于多變量、強耦合、大時滯、帶約束復雜生產過程的平穩控制和動態優化，其主要功能有：

(2)有效抑制可測擾動：對可測擾動同時建模，預測擾動變量(DV)對過程的影響，實現自動有效補償，提高裝置運行的平穩性，降低勞動強度。

(3)提供多目標動態優化：通過對表征裝置運行過程中的安全、穩定、質量、產能、能耗等方面的多個工藝參數進行優先級設置，按照權重優先級依次滿足，自動解耦尋優，實現在確保裝置安全穩定、產品質量合格的前提下，達到節能降耗的目的。

(4)利用智能控制策略靈活實現生產裝置的個性化過程控制需求，支持多元化行業解決方案的標準化實現。

3.2 APC控制軟件應用

根據該技術特點，技術軟件可應用于甲醇Ⅱ精餾裝置的加壓塔及常壓塔，可解決甲醇精餾裝置的如下問題：

(1)在DCS系統常規控制基礎上建立精餾單元先進控制系統，提高裝置的綜合自動化水平，克服變量間的關聯耦合和干擾因素，穩定生產工況，提高主要工藝參數的平穩性，與常規控制相比，關鍵工藝參數的標準偏差(波動幅度)降低30%以上。

(2)基于裝置的平穩操作，優化裝置運行負荷，克服分子篩切換事件干擾影響，保證裝置運行安全，并對相關工藝指標進行“卡邊”優化，挖掘裝置潛力，在保證產品質量的前提下，提高產品收率0.2%以上，降低裝置能耗2%以上。

(3)在正常生產條件下，保證先進控制系統的投運率達到95%以上，提高裝置綜合自動化水平，降低勞動強度，保持生產操作的一致性，減少人為干擾。

(4)獨立完成與DCS之間的數據通訊，保證DCS系統的正常運行，實現先進控制系統與DCS系統的無擾動切換功能。

根據冠狀動脈狹窄情況將461例患者分組：將冠脈正常組和冠脈粥樣硬化組合為非冠心病組（117例）；冠狀動脈狹窄≥50%為冠心病組（344例）。按冠脈狹窄累及冠脈血管支數分為：單支病變組112例、雙支病變組125例及三支病變組107例。根據冠狀動脈病變積分，分為3個亞組：低分組（＜5分）52例，中分組（5-1 0分）135例，高分組（≥10分）133例。

4 效果分析

4.1 裝置的控制系統更加完完備

由于精餾裝置工藝特點和復雜動態特征，采用多變量預測控制、智能控制、軟測量等先進控制技術，提出基于多變量預測控制、智能控制方法及基于滾動優化性能指標的最優控制策略，通過建立適合甲醇生產過程的多工況數學模型和變量分級優化先進控制器，解決甲醇生產過程中存在的大滯后、非線性、變量耦合、干擾因素多等問題，保證甲醇精餾裝置先進控制系統的強魯棒性和最優控制。

4.2 裝置工況實現智能診斷與監控技術

通過實時監控甲醇精餾裝置生產過程中可能出現的負荷波動、蒸汽壓力波動、指標超限、分子篩切換等異常事件，自動進行工況診斷，及時作出合理應急處理，確保生產的運行安全。

4.3 裝置運行情況

項目于2019年8月利用系統停車檢修的機會改造完成并投入使用，筆者收集統計相關數據，對項目前后進行對比。

4.3.1 加壓塔

控制軟件投運后加壓塔相關數據(見表3)，投運前后相關數據的變化情況，如圖1-3。

表3 控制軟件投運后加壓塔相關數據統計表Tab.3 The statistical table of pressurized tower data after operation of control software

圖1 投運前、后加壓塔塔釜液位對比Fig.1 The comparison of liquid level of pressurized tower kettle before and after operation

圖2 投運前、后加壓塔塔頂回流罐液位對比Fig.2 The liquid level comparison of reflux tank on top of pressurized tower before and after operation

圖3 投運前、后加壓塔塔釜溫度對比Fig.3 The comparison of pressurized tower kettle temperature before and after operation

加壓塔塔釜液位方差由24.97降低至4.79，方差改善80.84%。 加壓塔回流罐液位方差由1.52降低至0.35，方差改善77.28%。加壓塔塔釜溫度方差由0.33降低至0.12，方差改善63.85%。

加壓塔塔釜液位LI8005、回流罐液位LI8006、塔釜溫度TI8011波動明顯變小，趨于更加平穩的狀態。

4.3.2 常壓塔

控制軟件投運后常壓塔相關數據，見表4，投運前后相關數據的變化情況，如圖4、5。

表4 控制軟件投運后常壓塔相關數據統計表Tab.4 The related data statistical table of atmospherictower after operation

圖4 投運前、后常壓塔靈敏板溫度對比Fig.4 The temperature comparison of sensitive plate of atmospheric column before and after operation

常壓塔靈敏板溫度方差由4.17降低至0.35，方差改善91.64%。常壓塔回流罐液位方差由3.28降低至0.17，方差改善94.67%。

常壓塔靈敏板溫度TI8018、回流罐液位LI8008波動明顯變小，趨于更加平穩的狀態。

4.3.3 產品消耗及質量

控制軟件投運后，收集統計同一時期的運行數據，并將其進行對比，見表5、6。

圖5 投運前、后常壓塔回流罐液位對比Fig.5 The comparison of liquid level in reflux tank of atmospheric tower before and after operation

表5 項目實施前產品蒸汽消耗及質量統計表Tab.5 The statistical table of steam consumption and mass of products before project implementation

表6 項目實施后產品蒸汽消耗及質量統計表Tab.6 The statistical table of steam consumption and mass of products after project implementation

根據表5、6可得知，項目實施后，噸甲醇耗蒸汽減少了0.02t，甲醇中乙醇含量降低至65.7ppm。

4.3.4 其他方面

先進控制軟件(APC)的應用，降低操作人員的工作強度，使精餾裝置運行更加穩定，使公司的“三化融合”建設更近一步。

5 結論

(1)先進控制技術的應用，使得加壓塔塔釜液位LI8005、回流罐液位LI8006、塔釜溫度TI8011；常壓塔靈敏板溫度TI8018、回流罐液位LI8008更加平穩。

(2)噸甲醇耗蒸汽減少了0.02t，甲醇中乙醇含量降低至65.7ppm。

本項目的實施，使公司自動化水平上升一個新的臺階，為下一步公司醋酐精餾裝置、丁醇精餾裝置、醋酸酯精餾裝置提供寶貴的經驗。